Способ детектирования концентраций субмикронных аэрозольных частиц при испытании высокоэффективных фильтров

 

Изобретение относится к анализу аэродисперсных систем и может быть использовано для контроля технологической гигиены и при испытании эффективности фильтра и газоочистных устройств. Цель - повышение точности определения малых концентраций аэрозольных частиц и эффективности фильтров . Цель достигается тем, что частицы заряжаются при значениях параметров зарядка 3-6 (Ом м)1 с. Перед измерением тока переноса частицы пропускают через механический калиброванный фильтр аэрозольных частиц. Фильтр поляризован внешним электрическим полем так, что векторы скоростей электрофореза амикроскопических аэрозольных частиц и их конвективного переноса потока антипараллельных и соизмеримых по абсолютным значениям при Е0 S0,5 V./ft , где Е0 - напряженность внешнего электрического поля; р. - электрическая подвижность однократно заряженной амикроскопической аэрозольной частицы с радиусом 0,01 мкм; V - средняя линейная скорость течения газа через механический калиброванныйфильтр. 3 ил. СО с

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК

1698708 А1

<з1у G 01 N 15/02

ГОСУДАРСТВЕННЫИ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Ф

° »

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

1 (21) 4782925/ 25 (22) 11,12.89 (46) 15.12.91. Бюл, М 46 (72) А.В.Загнитько, Е.А.Никулин, С.А.Кокарев и В.Ф.Соленков (53) 535.215.4 (088.8) (56) Беляев С.fl, Оптико- электронные мето-ды изучения аэрозолей. М,: Энергоиздат, 1981, с. 125.

Загнитько А,В. и др, О характеристике субмикронных аэрозолей, образующихся при тонком пневматическом диспергировании жидкости. — Физической химии, 1988,,62, М11, с.3057, (54) СПОСОБ ДЕТЕКТИРОВАНИЯ КОНЦЕНТРАЦИЙ СУБМИКРОННЫХ АЭРОЗОЛЬН ЫХ ЧАСТИЦ ПРИ ИСПЫТАНИИ

ВЫСОКОЭФФЕКТИВНЫХ ФИЛЬТРОВ (57) Изобретение относится к анализу аэродисперсных систем и может быть использовано для контроля технологической гигиены и при испытании эффективности фильтра и

Изобретение относится к анализу аэродисперсных систем и может быть использовано для контроля технологической гигиены и при испытании эффективности фильтров и газоочистн ых устройств.

Цель изобретения — повышение точности определения малых концентраций аэрозольных частиц и эффективности фильтров за счет устранения влияния на ток переноса субмикронных анализируемых частиц (0,0йгс .

1 мкм) после фильтра токов фоновых амикроскопических аэрозольных частиц, образующихся при ионизации газа и зарядке детектируемого аэрозоля. газоочистных устройств. Цель — повышение точности определения малых концентраций аэрозольных частиц и эффективности фильтров. Цель достигается тем, что частицы заряжаются при значениях параметров зарядка 3-6 .10 " (Ом м) с. Перед измерением тока переноса частицы пропускают через механический калиброванный фильтр азрозольных частиц. Фильтр поляризован внешним электрическим полем ак, что векторы скоростей электрофореза амикроскопических аэрозольных частиц и их конвективного переноса потока антипараллельных и соизмеримых по абсолютным значениям при Ео М,5 Ч»/й, где Eo— напряженность внешнего электрического поля; р — электрическая подвижность однократно заряженной амикроскопической аэрозольной частицы с радиусом 0,01 мкм;

Ч» — средняя линейная скорость течения газа через механический калиброванный. фильтр. 3 ил, На фиг. 1 приведена конструкция избирательного фильтра; на фиг. 2 — принцип действия фильтра; на фиг. 3- устройство для осуществления способа.

Для испытания высокоэффективных фильтров используют, как правило, модельные (тестовые) наиболее проникающие субмикронные частицы, При малых скоростях течения газа (V 1 см/с) через фильтр наиболее проникающими являются частицы с радиусом r =0,1-0,2 мкм. При увеличении скорости фильтрации газа (V > 10-20 см/с) наиболее проникающими являются частицы с r g 0,05 мкм, Это означает, что при испы1698708 тании наиболее распространенных волокнистых фильтрующих материалов для высокоэффективной очистки газов необходимо использовать частицы с r > 0,05 мкм,При использовании предлагаемого и известного способов образуются фоновые амикроскопические частицы с r < 0,01 мкм, Если величина.их тока переноса 1 > 1о тестовых . частиц с r > 0,05 мкм после исследуемого фильтра, то в этом случае практически нельзя точно определить эффективность фильтра, так как фоновый спонтанный сигнал

le вносит большую ошибку а результате измерений тока переноса 4 модельных частиц с r > 0,05 мкм. Следовательно, для регистрации малых концентраций субмикронного аэрозоля .и определения эффективности фильтров необходимо устранить влияние 4 на 1о, т.е, необходимо, чтобы !и >»1а. Эту задачу решают в предлагаемом способе путем пропускания потока частиц после зарядки через избирательный механический волокнистый фильтр, который эффективно фильтрует (удаляет) из газа частицы с r < 0,01 мкм, но слабо задерживает модельные частицы с r «> 0,05 мкм. 8 результате регистрируют после избирательного фильтра ток переноса 4, который существенно превышает ток Ie фоновых отфильтрованных амикроскопических частиц. Между ре, шетчатыми параллельными электродами 1 и 2 установлен механический калиброванный фильтр аэрозольных частиц 3, поляризованный внешним электрическим полем Ео так, что вектор конвектианого переноса частиц

V» потоком газа антипараллелен вектору скорости электрофореза заряженной частицы под действием поля Ео, т,е., например, положительно заряженная частица тормозится электрическим полем Ео между электродами 1 и 2, В результате эффективная скорость движения частицы через фильтр 3 составляет Чо=Ч»-Че. При этом ее осаждение происходит на противоположную сторону поляризованного волокна (фиг, 2) фильтра 3 (фиг, 1). Фильтрация частиц про° исходит эа счет их диффузионного осаждения на волокна, а также за счет электростатических эффектов, обусловленных зарядкой частиц и полем Е. Экспериментально доказано, что фильтрация амикроскопических частиц происходит эффективно, если Чо О 5 Ч» или Ve Ч» 0,5

Величина

Ve= PgEo, где р — электрическая подвижность однократно заряженной частицы;

g — ее заряд, Частицы с г < 0,01 мкм имеют g = 1е, а при r >0,03 мкм величину g можно расчитывать по формуле

g = Ig(1,4 10 0 t) (1) е2 где К = 1,38 10 эрг/к — постоянная Больц-16 мана;

10 Т (К) — температура газа;

e = 4,8 10 СГСŠ— заряд электрона;

-1О, размерности t, а, rс,,(Ом м ) и см соответственно.

Из (1) следует, что при цт < 6 10 11 (Ом м) с скорость электрофореза частиц с r < 0,01 мкм существенно больше скорости Ve частиц модельного аэрозоля с r > 0,05 мкм. Однако при ай 3»

10 (Ом м) с модельные частицы аэрозоля заряжаются неэффективно, т.е. частицы с.г >0,05 мкм имеют малый заряд, что затрудняет их регистрацию при малых концентрациях ввиду малости тока 1о. Следовательно, при о t< 3 10 (Ом м) с частицы тестового аэрозоля заряжать нецелесообразно, Кроме того, при ot(6 ° 10 (Ом м с амикроскопические частицы за11 ряжаются неэффективно и наряду с заряженными частицами имеется некоторая доля незаряженных частиц Хо = I — Х, которые не дают вклада в величину их фонового тока

4 (Х - доля заряженных амикроскопических частиц). При образовании амикроскопических частиц с r < 0,01 мкм только небольшая их доля влияет на величину фонового тока

1а, величина которого 4- 0 после пропускания потока газа через избирательный фильтр, При этом модельные частицы суб40 микронного аэрозоля с г >0,05 мкм эффективно заряжены, а избирательный фильтр слабо влияет на величину их тока переноса

4, поскольку подбирают такое значение поля Ео, чтобы скорость электрофореза тестовых (модельных) субмикронных частиц с r >0,05 мкм была существенно меньше скорости электрофореза амикроскоп ических аэрозольнык частиц с r = 0,01 мкм.

Значение Ео расчитывают следующим

0 образом; скорость электрофореза V,= ,и дЕ, для амикроскопических частиц g = I,, поэтому условие эффективной фильтрации V, > 0,5 Ч, означает, что Ео> 0,5 V»/è, где,и — электрическая подвижность однократно заряженной частицы с г = 0,01 мкм.

Устройство для осуществления способа включает патрубок ввода потока аэрозоля 1, газоход 2, цилиндрический, решетчатый, заземленный электрод 3 и соосный ему сплошной электрод4, подключенный через

1698708 микроамперметр 5 к источнику 6 с напряжением Uz, коронирующий проволочный электрод 7, подключенный к высоковольтному выпрямителю 8 с напряжением U1, плоские, перпендикулярные потоку газа, параллельный, решетчатый электроды 9, 10, первый из которых по ходу газа (электрод 9) подключен к источнику 11 напряжения с напряжением

U, а второй электрод 10 заземлен, механический калиброванный фильтр аэрозольных частиц 12, расположенный параллельно электродам 9 и 10 и предназначенный для удаления фоновых амикроскопических частиц из потока исследуемого субмикронного аэрозоля, камеру регистрации заряженных

-частиц в потоке газа 13 и патрубок вывода потока аэрозоля из устройства 14. Знак напряжения 0 источника 11 противоположен знаку напряжения U1 выпрямителя 8, а абсолютное значение U > 0,5 уело//с* где d - расстояние между электродами 9 и

10, величина Чк = Q/S, Q — объемная скорость потока аэрозоля, S — площадь фильтра 12.

Устройство работает следующим образом.

Анализируемый поток аэрозоля через патрубок 1 и газоход 2 поступает в зоне зарядки А, расположенную между электродами 3 и 4, в зоне А частицы заряжают униполярными ионами, образованными в коронном разряде при подаче высокого напряжения U1от выпрямителя 8 на проволочныи электрод 7 с P = 20 — 30 мкм. Ионы вытягивают в зону зарядки из области коронного заряда за счет создания разности потенциалов Uz между электродами 3 и 4 с помощью источника 6 напряжения. Величина проводимости в зоне А определяется по плотности ионного тока j = a Е, измеряемом микроамперметром 5 (Š— напряженность поля в зоне А). Из зоны зарядки поток анализируемого аэрозоля поступает в камеру регистрации заряженных частиц 13 через механический калиброванный фильтр аэрозольных частиц, поляризованный внешним электрическим полем Ео за счет создания разности потенциалов между решетчатыми, плоскими и параллельными электродами 9 и 10. Знак напряжения U на электроде 9 противоположен знаку напряжения на электроде 7, а его величина

0 > 0,5 Чкб/,и (при этих значениях U выполняется условие Ч, >0,5Чк для амикроскопических аэрозольных частиц), При

V = 0 осаждение аэрозоля на волокнистом фильтре 12 мало и составляет для частиц с

r = 0,05 мкм около 5, а при r = 0,01 кмм

10 около =35 для указанного в примере волокнистого фильтра 12. Камера 13 состоит из стекловолокнистого фильтра, соединенного с электрометром для измерения тока переноса заряженных частиц при их осаждении на волокна. При этом спонтанно образующиеся амикроскопические частицы не поступают в камеру 13, поскольку их отсекают от тестовых субмикронных частиц избирательным фильтром 12, поляризованным внешним электрическим полем.

Пример. Коронирующий электрод

7 выполнен из молибденовой проволоки с = 25 мкм; напряжение U1= 3700 В; ток

15 коронного разряда составляет 4 мкА; напряженность электрического поля в зоне зарядки 100 B/GM; величина a t = 5 5 10 (Ом м) с; расстояние между решетчатыми электродами 9 и 10 с шагом 5 мм составляет

20 2 см; в качестве механического калиброванного фильтра используют эталонный веерный модельный фильтр с диаметром волокон 0,15 мм, расстоянием между ними.

2 мм и количеством слоев 120; камера реги25 страции заряженных частиц состоит из стекловолокнистого фильтра ФСВ/П, соединенного с электрометрическим усилителем оУ5 — 11"; скорость течения газа через фильтр 12 составляет Чк = 5 см/с; напря30 женность поля Ео = 500 и 700 В/см; U.- 1000 и 1400 В. Измерение эффективности фильтра 12 проводилось с частицами хлористого натрия и дибутилфталата, радиус которых r = 0,005-0,2 мкм.

35 При Че .> 0,5 Чк амикроскопические частицы эффективно улавливаются веерным фильтром, Величина Ve субмикронных частиц с r > 0,05 мкм существенно меньше значения VK и модельные частицы слабо за40 держиваются фильтром. При Е = 0 проскок частиц существенно превышает значения К, измеренные в присутствии внешнего электрического поля с Е;> 500 В/см. Доля X <0,1, т.е. амикроскопические частицы заряжаются

45 неэффективно при at< 6 10 (Ом ° м) с, поэтому, если образуется спонтанно N> фоновых частиц, то после фильтра 12 вклад в фоновый ток I> будут вносить частицы с концентрацией KXNa.

50 Измеренное значение тока переноса субмикронного монодисперсного аэрозоля с r = 0,15 мк м до высокоэффективного фильтра типа ФСВ/А составляло 10 А, -14 а после фильтра I< = 5 10 А. Соответст55 венно проскок К = 5 .10, а концентрация частиц после фильтра N = l /gQ =150 частиц/см, 0 = 18 л/мин, заряд 9 расчитывался по формуле (I), При этом фоновый ток амикроскопичих частиц не регистрировался.

1698708

Таким образом, изобретение существенно повышает точность измерения малых концентраций модельного субмикронного аэрозоля после фильтра и, соответственно позволяет определить его эффективность по сравнению с известным, s котором не предусмотрено устранение спонтанно образующихся фоновых амикроскопических частиц, что не позволяет точно определить малые концентрации субмикронных частиц, ток переноса которых соизмерим или меньше фонового тока амикроскопического аэрозоля, и соответственно определить эффективность высокоэффективных фильтров.

Формула изобретения

Способ детектирования концентраций субмикронных аэрозольных частиц при испытании высокоэффективных фильтров, включающий ионизацию газа, создание отдельной зоны зарядки аэрозоля с униполярной ионной атмосферой, пропускание через нее потока исследуемого газа, диффузионную зарядку аэроэольных частиц униполярными ионами при фиксированном значении параметра зарядки, определяемом как произведение ионной проводимости газа в зоне зарядки на время зарядки частиц, измерение их токов переноса или объемного заряда до и после фильтра, по величине которых судят о концентрации субмикронного аэрозоля и эффективности фильтров, отличающийся тем, что, с целью повышения точности определения концент5 раций аэрозольных частиц за счет устранения влияния на ток переноса субмикронных анализируемых частиц, после фильтра тока фоновых амикроскопических аэрозольных частиц, образующихся при ионизации газа и

10 зарядке детектируемого аэрозоля, частицы заряжают при значениях параметра зарядки, ограниченных интервалом(3 — 6) 10 (Ом. м) с, и перед измерением тока переноса пропускают через механический калиброванный

15 фильтр аэрозольных частиц, поляризованный внешним электрическим полем так, что векторы скоростей электрофореза амикроскопических аэрозольных частиц и их конвективного переноса потоком газа

20 антипараллельны при Е > 0,5 Чк/и где E> — напряженность внешнего электрического поля;

p — электрическая подвижность однократно заряженной амик рос копической аэрозольной частицы с радиусом 0,01 мкм;

VK — средняя линейная скорость течения газа через механический калиброванный фильтр, 30

1698708

Составитель Е.Карманова

Редактор M.Íåäîëóæåíêo Техред M.Ìîðãåíòàë КоРРектоР Т.Малец

Заказ 4388 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб.. 4/5

Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул.Гагарина, 101